Próby zobrazowania defektów strukturalnych w grafenie zakończone sukcesem

Naukowcom z Wielkiej Brytanii oraz Japonii jako pierwszym na świecie udało się śledzić ruch dyslokacji (jeden z defektów struktury ciała stałego) w grafenie. Praca ta może przyczynić się do lepszego zrozumienia zjawiska plastyczności w dwuwymiarowych strukturach oraz odpowiedzieć na pytanie: jak ruch dyslokacji wpływa na właściwości mechaniczne grafenu i innych ważnych technologicznie materiałów?

Wytrzymałość materiału oraz sposób jego odkształcania pod wpływem przyłożonego obciążenia są często związane ze sposobem, w jaki dyslokacje przemieszczają się w strukturze określonego materiału. Chociaż dyslokacje udaje się z powodzeniem badać w układach trójwymiarowych przy użyciu wysokorozdzielczego transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) (ang. high-resolution transmission electron microscopy), o wiele trudniejszym zadaniem jest dokonanie tego w przypadku układów dwuwymiarowych, czyli takich jak grafen. Trudność takiego przedsięwzięcia związana jest z zastosowaniem w TEM-ie wiązki wysokoenergetycznych elektronów, używanej do obrazowania obiektów, powodującej bardzo szybkie niszczenie badanych nanomateriałów.

Obrazowanie dyslokacji w grafenie z użyciem TEM-u

Aby dokonać zbadania grafenu z wykorzystaniem TEM-u, napięcie przyspieszające elektrony powinno zostać zmniejszone do stosunkowo niskich wartości wynoszących około 80 kV, aby ograniczyć w ten sposób uszkodzenie próbki. Jednakże i tu pojawia się pewien problem, ponieważ użycie niskoenergetycznych elektronów przyczynia się do wzrostu aberracji sferycznej i chromatycznej, powodujących rozmywanie obrazu i zmniejszanie jego rozdzielczości przestrzennej. Chociaż nowe modele mikroskopów elektronowych zawierają wbudowane układy korygujące efekty aberracji, wciąż jednak rozdzielczość uzyskiwanych przez nie obrazów nie jest wystarczająco wysoka, aby umożliwić naukowcom lokalizowanie dokładnych pozycji poszczególnych atomów w grafenie.

Grupie badawczej kierowanej przez Jamiego Warner’a z University of Oxford we współpracy z naukowcami z Japan Electron Optics Laboratory w Tokyo udało się znacznie ograniczyć efekty wspomnianej aberracji poprzez przepuszczanie wiązki elektronów przez monochromator, dzięki czemu poprawie uległa także rozdzielczość przestrzenna mikroskopu. Technika ta pozwoliła także zredukować rozrzut energii elektronów przed ich dotarciem do badanej próbki. „Technika, którą opracowaliśmy pozwala uzyskać dla napięcia 80 kV rozdzielczość przestrzenną na poziomie angstrema, dając tym samym możliwość ustalenia dokładnej pozycji pojedynczych atomów węgla w sieci krystalicznej grafenu”, wyjaśnił Warner. „Po raz pierwszy udało nam się zbadać dyslokacje krawędziowe (rodzaj defektu zniekształcającego strukturę sieci krystalicznej) w grafenie z atomową rozdzielczością”.

Dyslokacje – źródło informacji o plastyczności grafenu

Naukowcom udało się również zmierzyć długość rozciągniętych wiązań pomiędzy atomami węgla oraz, przy użyciu techniki przetwarzania obrazu nazywanej geometryczną analizą fazową, stworzyć mapę naprężeń spowodowanych obecnością dyslokacji w grafenie. „Okazało się, że możemy nie tylko odwzorować całkowity tensor naprężenia, lecz również śledzić ruch dyslokacji w sieci krystalicznej grafenu”, powiedział Warner. Naukowcy twierdzą, że wyniki przez nich uzyskane zawierają bardzo cenne informacje dotyczące sposobu ułożenia atomów tworzących dyslokacje w grafenie, co może przyczynić się do lepszego zrozumienia jego plastyczności.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com